興隆山山系地表主干流水化學(xué)特征及影響機(jī)制

王 鵬

（蘭州大學(xué) 地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院，蘭州 730000）

興隆山山系地表主干流是附近居民區(qū)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)的主要供水水源，其水質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康。由于地表主干流受到流經(jīng)區(qū)域的基巖成分、人類活動(dòng)等多種因素的影響，不同區(qū)域會(huì)具有不同化學(xué)特征[1]。對(duì)興隆山山系地表主干流化學(xué)性質(zhì)開(kāi)展研究有助于判斷巖石性質(zhì)及流經(jīng)區(qū)域與地下水成分之間的關(guān)系，并為水源的開(kāi)發(fā)利用提供可靠資料。本次研究在先期項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，以興隆山山系地表主干流流經(jīng)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)對(duì)各樣點(diǎn)所取得的水樣進(jìn)行常量離子濃度、總?cè)芙夤腆w量、pH等化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試分析，并利用Suffer繪制研究區(qū)域內(nèi)地下水總硬度的平面分布圖。結(jié)合該區(qū)域不同采樣點(diǎn)的地質(zhì)背景及巖性特點(diǎn)，推斷出地表主干流的影響機(jī)理。

對(duì)興隆山山系地表主干流進(jìn)行水質(zhì)取樣并進(jìn)行相關(guān)取樣點(diǎn)周邊環(huán)境和巖性特點(diǎn)的考察。利用儀器及化學(xué)試劑測(cè)定相關(guān)水樣的總?cè)芙夤腆w質(zhì)量及相關(guān)主量元素含量。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用Suffer繪制區(qū)域總硬度的平面分布圖，結(jié)合研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景、巖性特點(diǎn)以及人類影響因素，建立研究區(qū)域總硬度、總?cè)芙夤腆w量以及主量元素的分布規(guī)律并推斷出研究區(qū)域水系水化學(xué)的影響機(jī)理，從而為相關(guān)區(qū)域地下水資源合理開(kāi)發(fā)和利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概述

興隆山在黃土高原西部，坐落在甘肅省會(huì)蘭州市向南50 km。整個(gè)山體長(zhǎng)度大約為37km，寬度近于15km，走向呈北西西—南東東向。地理位置大致位于北緯35°38'～35°58'，東經(jīng)103°43'～104°10'。主峰海拔為3 671 m，是甘肅省榆中縣與臨洮縣的界山，也是黃土高原范圍內(nèi)僅有的海拔大于3 600 m的高山，整個(gè)山體呈南高北低之勢(shì)，西邊與祁連山相接，向東延伸消失于漫漫的黃土丘陵中。興隆山氣溫變化幅度較大，年平均氣溫為4.1℃，降雨量比較大，年均降水量一般大于600 mm。每年從興隆山流出的地表水徑流量可達(dá)到5 349萬(wàn)m3，另外，區(qū)內(nèi)還藏有豐富的地下水資源[2]。

馬啣山位于蘭州河谷盆地南部約50 km的地方，是榆中縣與臨挑縣的分水嶺，山體坐落在興隆山南側(cè)，呈西北、東南走向。主峰海拔高度3 670 m，相對(duì)高度大約2 100 m，山頂?shù)貏?shì)平坦，寬度在8～10 km，長(zhǎng)度大約為40～50 km，是蘭州附近地區(qū)的最高山地[3]。其高聳的地勢(shì)以及嚴(yán)寒的氣候條件，導(dǎo)致馬啣山擁有與周?chē)貐^(qū)截然不同的地貌景物。與成為世界三極之一的青藏高原類似。具有降水較少，蒸發(fā)較強(qiáng)，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，為典型的大陸性氣候。

2 樣品采集

2.1 水樣品采集

本項(xiàng)目在以甘肅省蘭州市興隆山與馬啣山為主的研究區(qū)域內(nèi)，共采集地表主干流水樣品共計(jì)11份。2條水系的取樣點(diǎn)的起點(diǎn)均位于水源附近，沿水道向下游延伸至每次人為活動(dòng)大或者下伏基巖有明顯變化處采集樣品，在興隆山主干流共采集樣品6個(gè)（圖1），馬啣山采集樣品5個(gè)（圖2），依次編號(hào)。并用GPS記錄水樣品采集點(diǎn)的經(jīng)緯度及海拔信息。采集樣品統(tǒng)一使用干燥的礦泉水瓶，并在采樣點(diǎn)用地表水洗滌干凈后，進(jìn)行樣品儲(chǔ)存。采樣時(shí)，盡可能地將水瓶裝滿，以排除瓶中殘留的空氣對(duì)樣品的影響，并且為了防止漏氣干擾的發(fā)生，每個(gè)點(diǎn)采集2份樣品。同時(shí)，在野外用pH試紙測(cè)試水樣品的pH。

圖1 興隆山采樣點(diǎn)分布圖

圖2 馬啣山采樣點(diǎn)分布圖

2.2 巖石樣品采集

巖石樣品的采集主要是在地表主干流的源頭部位以及流經(jīng)區(qū)域中下伏基巖發(fā)生改變的地方采集，共計(jì)采集巖石樣品7個(gè)，其中興隆山地表主干流3個(gè)，馬啣山地表主干流4個(gè)，將巖石樣品標(biāo)號(hào)保存，用于下伏基巖成分的確定。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 水樣品的處理

本次研究主要需要測(cè)定樣品中的Na+、K+、Mg2+、Ca2+的離子濃度以及水樣品的TDS（總?cè)芙夤腆w量）的值。水樣品的pH已經(jīng)在野外完成測(cè)試；水樣品的離子成分在蘭州大學(xué)西部環(huán)境與氣候變化學(xué)院西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，Na+、K+、Mg2+、Ca2+陽(yáng)離子使用ICS-2500型離子色譜儀測(cè)定；TDS值用干燥重量法測(cè)定；水樣品總硬度用鹽酸滴定，結(jié)果以CaCO3表示。

2.3.2 巖石樣品的處理

巖石樣品進(jìn)行手標(biāo)本鑒定，并查閱文獻(xiàn)得到其大致的元素含量，為之后地表主干流的化學(xué)特征的影響因素的研究提供根據(jù)。

3 結(jié)果展示

3.1 前期調(diào)查中研究區(qū)的研究現(xiàn)狀

3.1.1 興隆山地區(qū)土壤的研究

先前的研究表明，興隆山地區(qū)的土壤形成與分布情況明顯地受到氣候、植被與海拔的控制。在海拔從2 300～3 500 m的變化過(guò)程中，該地區(qū)的溫度也是從溫暖漸漸趨向寒冷，氣候也從干燥到濕潤(rùn)，植被也同時(shí)由落葉闊葉林（海拔2 300～2 600 m）過(guò)渡到以闊葉林為主的針闊混交林（海拔2 600～3 000 m），最后過(guò)渡到亞高山（海拔3 000～3 500 m）和高山（海拔高于3 500 m）灌叢草甸，土體的淋溶也逐漸變強(qiáng)，在海拔3 000 m以上土壤風(fēng)化變?yōu)橐院畠鲲L(fēng)化為主的風(fēng)化作用，土層厚度變薄，土壤的隱粘化特征消失，土體中殘留有很多角狀礫石:如馬啣山海拔3 600 m地方凍脹草丘和遍布的泥石流遺跡這些凍融現(xiàn)象導(dǎo)致的地表形態(tài)變化。降水量隨著海拔的升高而明顯增加，比山前地帶的降水多達(dá)150 mm，并伴隨著海拔的升高而增加，這對(duì)土壤的形成過(guò)程具有顯著的影響，使土壤的淋溶作用增強(qiáng)，碳酸鹽得到淋洗，土壤剖面表現(xiàn)出無(wú)石灰反應(yīng)[4]。

3.1.2 興隆山地區(qū)植被研究

通過(guò)對(duì)興隆山和馬啣山地區(qū)的原始青杄（Picea wilsonii）純林、天然青杄-白樺（Betula platyphylla）針闊混交林、天然次生山楊（Populus davidiana）-白樺闊葉混交林、天然次生灌叢林、油松（Pinus tabulaeformis）人工純種林和華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）人工純種林這6種類型的森林60 cm以上的土壤層的研究以分析該地區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能[5]。

土壤是森林水文調(diào)節(jié)的主要場(chǎng)所，同時(shí)，土壤水文物理性質(zhì)是決定森林生態(tài)水文功能的基礎(chǔ)。其中，滲透性是土壤的水文物理性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)，是土壤水文物理性質(zhì)的主要參考。土壤入滲是大氣降水、地表水[6]以及地下水相互轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，入滲過(guò)程以及滲透能力又決定了降雨過(guò)程再分配中地表徑流和土壤水分的儲(chǔ)存以及地下流水的產(chǎn)生于發(fā)展[7-8]。所以，土壤滲透能力是影響土壤侵蝕的重要因素，是反映森林土壤水源涵養(yǎng)的重要指標(biāo)[9-10]。

在森林不斷的正向演替進(jìn)行中，天然森林的土壤發(fā)育時(shí)期不斷增長(zhǎng)，理化性質(zhì)得到不斷的改善，因此，滲入能力不斷增強(qiáng)。人工林均為純林，生物多樣性大大降低，凋落的植物物種單一、分解速度慢，這就使得大量的植物碎屑鋪滿地面從而影響到土壤生物的活動(dòng)，森林改善土壤結(jié)構(gòu)的功能也被大大限制，土壤滲透性差[11]。

3.2 水樣品分析結(jié)果展示

地表水的總硬度指水中的Ca2+和Mg2+的含量，通常這個(gè)折合成氧化物含量。即每升水中含（CaO+MgO）的含量為10 mg的水規(guī)定為1度。飲用水的標(biāo)準(zhǔn)硬度為8度。

通過(guò)對(duì)采得的水樣品的前期處理以及試驗(yàn)后，得到水樣品的主要參數(shù)：pH、總?cè)芙夤腆w量、硬度以及主要的離子含量。其中馬啣山的結(jié)果見(jiàn)表1、表2、圖3。

表1 馬啣山地區(qū)水樣品pH、TDS、硬度

表2 馬啣山地區(qū)水樣品主要離子含量 mg·L-1

（1）根據(jù)表1發(fā)現(xiàn)馬啣山地區(qū)的水樣的總?cè)芙夤腆w量整體上小于200 mg/L，屬于淡水；水的總硬度為5.154度，所以馬啣山的水質(zhì)為軟水，經(jīng)過(guò)處理后就完全符合飲用的標(biāo)準(zhǔn)；地表水系的平均pH為7.6，最大pH為8，說(shuō)明該條水系基本呈弱堿性水。

（2）根據(jù)表2可以看出馬啣山地表水系的主要陽(yáng)離子是Ca2+離子，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他3種離子的總和，這是由于下伏基巖的性質(zhì)造成的；同時(shí)，各種離子的含量在從源頭的采樣點(diǎn)到最終的采樣點(diǎn)的區(qū)間內(nèi)基本不發(fā)生明顯的變化。

（3）根據(jù)圖3可以看出馬啣山山系地表主干流的陽(yáng)離子含量大小依次為Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+，其中Ca2+含量為32.6 mg/L、Mg2+為3.7 mg/L、Na+為3.0 mg/L、K+為1.8 mg/L，因此馬啣山的地表主干流的優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子為Ca2+，其次為Mg2+。Ca2+含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他離子含量，主要是由于源區(qū)的碳酸鹽，即源區(qū)主要基巖白云巖中的主要成分白云石CaMg（CO3）2及源區(qū)的灰石的主要成分方解石CaCO3這些巖石的風(fēng)化；Mg2+來(lái)源與其相似，主要是由白云石的風(fēng)化CaMg（CO3）2而成；Na+和K+則主要來(lái)源于蒸發(fā)巖和硅酸鹽的風(fēng)化產(chǎn)物[12-13]。

圖3 馬啣山地區(qū)水樣品主要離子含量

表3、表4、圖4展示興隆山地表主干流的主要參數(shù)：pH、總?cè)芙夤腆w量、硬度以及主要的離子含量。

表3 興隆山地區(qū)水樣品pH、TDS、硬度

（1）根據(jù)表3發(fā)現(xiàn)興隆山地區(qū)的水樣的總?cè)芙夤腆w量整體上稍大于200 mg/L；水的總硬度為8.101度，所以興隆山的水質(zhì)為硬水，但是該水系的水的總硬度僅比飲用水的標(biāo)準(zhǔn)硬度高1.2%，所以經(jīng)過(guò)處理后仍可飲用；興隆山地表水系的平均pH為7.4，最大pH為8，說(shuō)明該條水系基本呈弱堿性水。

（2）根據(jù)表4以及圖4，可以看出興隆山地表水系的主要陽(yáng)離子是Ca2+離子，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他3種離子的總和，這是由于下伏基巖的性質(zhì)造成的；同時(shí)，各種離子的含量在從源頭的采樣點(diǎn)到最終的采樣點(diǎn)的區(qū)間內(nèi)基本不發(fā)生明顯的變化。

表4 興隆山地區(qū)水樣品主要離子含量 mg·L-1

圖4 興隆山地區(qū)水樣品主要離子含量

（3）根據(jù)圖4可以看出興隆山山系地表主干流的陽(yáng)離子含量大小依次為Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+，其中Ca2+含量為49.8 mg/L、Mg2+為6.7 mg/L、Na+為3.6 mg/L、K+為1.6 mg/L，因此興隆山的地表主干流的優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子為Ca2+，其次為Mg2+。由于Ca2+含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他離子含量，主要是由于源區(qū)的碳酸鹽，即源區(qū)主要基巖白云巖中的主要成分白云石CaMg（CO3）2及源區(qū)的灰石的主要成分方解石CaCO3這些巖石的風(fēng)化；Mg2+來(lái)源與其相似，主要是由白云石的風(fēng)化CaMg（CO3）2而成；Na+和K+則主要來(lái)源于蒸發(fā)巖和硅酸鹽的風(fēng)化產(chǎn)物。

3.3 數(shù)據(jù)分析

在Gibbs圖中，橫坐標(biāo)為普通直線坐標(biāo)，代表地下水中陽(yáng)離子的比值（Na+/（Na++Ca2+））；縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，代表地下水中TDS值。Gibbs圖可以通過(guò)對(duì)比水樣與天然水的離子和總?cè)芙夤腆w量，從而反映出水樣的主要成分與蒸發(fā)沉淀作用、巖石控制和大氣降水控制的關(guān)系。即可以通過(guò)Gibbs圖將地表水的化學(xué)組分分為3種類型：降水控制型、巖石風(fēng)化型、蒸發(fā)-結(jié)晶型[14]。

現(xiàn)將研究區(qū)域地下水水樣品的離子含量繪制于Gibbs圖中（圖5）?？梢?jiàn)地表水的主要離子處在蒸發(fā)和沉淀作用范圍內(nèi)，同時(shí)也有部分受到巖石的控制?？偟膩?lái)說(shuō)，Gibbs圖顯示蒸發(fā)與沉淀作用對(duì)興隆山山系地表主干流水化學(xué)離子組成的影響顯著，其次基底巖石的成分對(duì)巖石性質(zhì)也有著影響[15]。

圖5 水樣品Gibbs圖

4 總結(jié)

4.1 地表水影響機(jī)制討論

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析以及查閱資料，對(duì)興隆山山系地表主干流的影響機(jī)制歸結(jié)為以下幾點(diǎn)。

（1）天然水中的離子含量順序?yàn)镃a2+＞Na+＞Mg2+[4]，而馬啣山地區(qū)的水中離子含量順序?yàn)镃a2+＞Mg2+＞Na+，興隆山的地表水中的離子含量順序也是Ca2+＞Mg2+＞Na+?？梢?jiàn)這2條地表流水的離子含量順序和天然水的并不相同，這主要是因?yàn)檫@2個(gè)地區(qū)的下伏基巖都是白云巖的緣故。白云巖中的白云石（CaMg（CO3）2）是造成這個(gè)的重要原因。

（2）此外，興隆山地區(qū)的地表水中鎂離子的含量遠(yuǎn)高于馬啣山地區(qū)。結(jié)合興隆山地表水的采樣地點(diǎn)在人類活動(dòng)頻繁的景區(qū)中，推測(cè)興隆山地區(qū)的地表水中的鎂離子含量會(huì)受到人類活動(dòng)的影響。同時(shí)在馬啣山地區(qū)的最后一個(gè)點(diǎn)是在烈士陵園采樣，在此處的鎂離子含量比起之前的點(diǎn)也有所升高，也說(shuō)明水中鎂離子的含量會(huì)受到人類活動(dòng)的影響。

（3）隨著地表主干流流經(jīng)區(qū)域的植被的不斷變化，可以發(fā)現(xiàn)水樣品中的離子含量沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的起伏變化，所以推測(cè)植被的變化對(duì)地表水中離子含量的影響不大。

（4）興隆山地區(qū)的地表水中的鈣離子含量總體來(lái)看比馬啣山的地表水中的鈣離子含量高，推測(cè)這是因?yàn)樵谂d隆山地表水系的采樣的海拔整體高于馬啣山地區(qū)，根據(jù)之前的資料表明，興隆山地表水系采樣點(diǎn)的土壤由于海拔升高發(fā)生淋溶作用，導(dǎo)致土壤發(fā)生無(wú)石灰反應(yīng)，從而有較高的碳酸鹽含量，主要體現(xiàn)在鈣離子含量的差異上。

4.2 地表水流影響機(jī)制和保護(hù)方案

通過(guò)本次研究可以發(fā)現(xiàn)，地表水的影響機(jī)制主要是下伏巖石的性質(zhì)，還有人為活動(dòng)的影響。在采樣中可以發(fā)現(xiàn)在每條河的下游都有生活垃圾，所以人類活動(dòng)對(duì)水質(zhì)的影響是很大的。

研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期飲用硬度較大的水會(huì)導(dǎo)致結(jié)石，所以要經(jīng)過(guò)處理后才能飲用。一般情況下，像馬啣山的水為軟水，經(jīng)過(guò)煮沸后水中的鈣鎂離子的含量就會(huì)降低，可以起到降低水的硬度的效果；而興隆山水系的水為硬水，雖然鈣鎂離子含量不是特別高，但是仍然不能直接飲用，可以先用例如石灰——純堿法之類的進(jìn)行處理，然后飲用。但是，只是在飲用前的處理是不夠的，要在生活中注意對(duì)水源的保護(hù)。

因此，提出對(duì)水源保護(hù)的措施。

（1）應(yīng)該設(shè)置水源保護(hù)區(qū)，用強(qiáng)制的手段保護(hù)飲用水資源，禁止一切破壞水環(huán)境生態(tài)平衡的活動(dòng)以及破壞水源林、護(hù)岸林、與水源保護(hù)相關(guān)植被的活動(dòng)；禁止向水域傾倒工業(yè)廢渣、城市垃圾、糞便及其他廢棄物；禁止使用劇毒和高殘留農(nóng)藥，不得濫用化肥。

（2）各級(jí)水利、環(huán)保部門(mén)要會(huì)同有關(guān)部門(mén)，切實(shí)加強(qiáng)農(nóng)村飲用水安全、水源保護(hù)等相關(guān)知識(shí)及工作的宣傳力度，增強(qiáng)居民水源保護(hù)意識(shí)。按照本級(jí)政府要求，逐步公布水源水和出廠水水質(zhì)狀況，搭建公眾參與平臺(tái)，強(qiáng)化社會(huì)監(jiān)督，切實(shí)提升飲水安全保障水平。

（3）在飲用水運(yùn)輸過(guò)程中要注意防止運(yùn)輸過(guò)程中的污染，使用清潔衛(wèi)生的管道，定期消毒。